DE102017124125A1

DE102017124125A1 - Laden eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102017124125A1
Application number: DE102017124125.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Hermann Dibos
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-04-18
Also published as: US20200338997A1; US11299065B2; KR20200051029A; CN111065542B; CN111065542A; KR102487958B1; WO2019076480A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers bei dem ein Energiespeicher verwendet wird, der mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher elektrisch mit einer eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle und einer elektrischen Maschine verbunden wird und die Energiespeichermodule von der Energiequelle mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul mindestens eines Energiespeicherstrangs überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle angepasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere einer Batterie eines Fahrzeugs, sowie ein entsprechendes Fahrzeug.
Um unabhängig bzw. unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu werden, werden in modernen Fahrzeugen zunehmend elektrische Motoren verbaut, die selbständig das Fahrzeug antreiben oder einen vorhandenen Verbrennungsmotor unterstützen. Die elektrischen Motoren bzw. Elektromotoren werden üblicherweise von einer oder mehreren Batterien mit Energie versorgt. Diese Batterien müssen, nachdem ihr Energievorrat aufgebraucht ist, geladen werden.
Aus der DE 10 2013 212 692 A1 ist ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung bekannt, wobei die Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Über zwei in Reihe zu Speiseknoten geschalteten Ladeschaltungsanschlüssen der Gleichspannungsversorgungsschaltung kann eine Ladeschaltung angeschlossen werden. Die Ladeschaltung kann an ihren Ladeschaltungsanschlüssen mit einem Strom belastet und dazu ausgelegt sein, eine Ladegleichspannung bzw. eine pulsierende Ladespannung mit definiertem Mittelwert für die Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.
Aus der DE 10 2013 212 682 A1 und der DE 10 2013 212 716 A1 sind ähnliche Systeme bekannt, die das Laden von Batteriemodulen betreffen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme stellen eine Gleichspannung als Ladespannung für den Energiespeicher zur Verfügung. Dies beschränkt die Lademöglichkeiten des Energiespeichers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, wenigstens einen der Nachteile des Stands der Technik zu adressieren. Insbesondere soll wenigstens eine Möglichkeit angegeben werden, die ein von einer bestimmten vorgegebenen Energiequelle unabhängiges Laden des Energiespeichers ermöglicht. Zumindest soll zu bekannten Lösungen eine Alternative vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere jeweilige Ausgestaltungen sind den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers vorgeschlagen, bei dem ein Energiespeicher geladen wird, der mehrere, vorzugsweise mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher elektrisch mit der eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle und einer elektrischen Maschine verbunden wird und die Energiespeichermodule von der Energiequelle mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule bzw. deren jeweilige Energiespeicherelemente eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens eines der Energiespeichermodule gebypasst, d. h. überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle angepasst wird.
Bei einer Bypass-Schaltung wird der Strom an dem jeweiligen Energiespeicherelement eines Energiespeichermoduls vorbeigeführt, so dass kein Strom durch das Energiespeicherelement hindurchfließt. Das Energiespeicherelement wird dadurch überbrückt.
Dadurch, dass der Energiespeicher an die jeweilige Energiequelle oder Energieversorgungseinrichtung angepasst wird, ist der Energiespeicher von vorhandenen Energiequellen unabhängig, d. h. er ist nicht auf eine bestimmte Art von Energiequelle angewiesen. Vielmehr kann der Energiespeicher mit jeder im Moment, in dem der Energiespeicher zu laden ist, verfügbaren Energiequelle geladen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Energiespeicher als Energiesenke in der jeweiligen Ladeschaltung ausgebildet wird.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 112 512 A1 der Anmelderin, die hierin unter Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird, offenbart ein die vorliegende Erfindung ermöglichendes Energiespeichermodul. Mehrere solcher Energiespeichermodule bilden einen Energiespeicherstrang und mehrere solcher Energiespeicherstränge bilden den Energiespeicher. Vorzugsweise weist der Energiespeicher drei Energiespeicherstränge auf. Eine andere Anzahl von Energiespeichersträngen ist aber auch möglich. Drei Energiespeicherstränge haben den Vorteil, dass dadurch der Energiespeicher auf einfache Weise mit einem bekannten dreiphasigen Drehstromnetz verbunden und dadurch geladen werden kann.
Die besondere Ausgestaltung des Energiespeichers bzw. der Energiespeichermodule ermöglicht ein freies Verschalten der einzelnen Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs untereinander. Dadurch ist der Energiespeicher an die jeweilige gewählte Energiequelle anpassbar, sodass sowohl Gleichspannungsquellen als auch Wechselspannungsquellen als geeignete Energiequelle in Frage kommen. Darüber hinaus können fehlerbehaftete Energiespeichermodule überbrückt oder Zwischenspannungen realisiert werden. Ein Einzelmodul gemäß der o. g. Patentanmeldung der Anmelderin ermöglicht sogenannte Zwei- und Vier-Quadranten-Module, die jeweils eine Vielzahl von Verschaltungsmöglichkeiten und zumindest die Vier-Quadranten-Module verschiedene Polaritätsrichtungen zulassen.
Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass als Energiespeicher eine Wechselstrombatterie verwendet wird. Eine Wechselstrombatterie wird beispielsweise ermöglicht durch eine Verschaltung von Einzelmodulen, die jeweils in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2015 112 512 A1 , DE 10 2015 112 513 A1 und DE 10 2016 112 250 A1 der Anmelderin und ferner auch in den Druckschriften DE 10 2011 108 920 A1 und DE 10 2010 052 934 A1 und insbesondere auch in S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module Connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no.1, pp 203-215, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 offenbart sind. Die Einzelmodule, die in der vorliegenden Offenbarung Energiespeichermodule genannt werden, weisen dazu mindestens ein Energiespeicherelement, wie bspw. eine Batterie oder einen Kondensator, und mehrere Schaltelemente auf. Die Schaltelemente sind dabei in den jeweiligen Modulen so angeordnet, dass sie eine dynamische Umschaltung benachbarter Module erlauben. Das heißt, dass die mehrere Schaltelemente benachbarte Energiespeicherelemente wahlweise parallel oder in Reihe zueinander schalten oder ein jeweiliges Energiespeicherelement bzw. ein jeweiliges Energiespeichermodul überbrücken oder deaktivieren. Dadurch, dass die dazu benötigten Schaltelemente in einem jeweiligen Modul angeordnet sind, kann eine Ansteuerung der Schaltelemente mit einem minimalen Potentialunterschied zwischen den Schaltelementen erfolgen. Das erlaubt, dass die Ansteuerung bzw. Aktivierung der Schaltelemente akkurat gleichzeitig erfolgen kann. Durch die akkurate Schaltung und die Möglichkeit, benachbarte Module in Reihe oder parallel zueinander zu schalten, kann eine solche Batterie im Betrieb dynamisch umkonfiguriert werden, so dass die Batterie Gleichspannung, Wechselspannung oder andere Spannungsformen bereitstellen kann. Das heißt im Umkehrschluss aber auch, dass die Batterie mit Gleichspannung, Wechselspannung oder anderen Spannungsformen geladen werden kann.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die jeweiligen Energiespeichermodule in einem jeweiligen Energiespeicherstrang durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet werden. Dadurch können, je nach verwendeter Energiequelle, Zwischenspannungen zwischen der Summe der Modulspannungen aller Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs und der Modulspannung eines einzelnen Energiespeichermoduls an einem Energiestrang eingestellt werden. Dadurch sind auch Mischschaltungen möglich, wodurch eine Stromverteilung und eine Spannungsanpassung realisiert werden können.
Eine Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeicherstränge in Reihe geschaltet werden. Das ist vorteilhaft, da dadurch die elektrische Maschine als eine Art Verteiler des Stroms verwendet werden kann.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Energiespeicherstränge jeweils parallel zueinander geschaltet werden. Dadurch kann in jedem einzelnen Energiespeicherstrang die Spannung entsprechend der Verschaltung der Energiespeichermodule angepasst werden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule einphasig oder dreiphasig geladen werden. Dadurch bieten sich weitere Möglichkeiten des Ladens des Energiespeichers.
Eine noch andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule über einen gemeinsamen Sternpunkt des Energiespeichers geladen werden. Dadurch kann die Ladespannung zentral, nämlich über den Sternpunkt, in den Energiespeicher bzw. in die Batterie eingespeist werden.
Eine noch weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückleitung der elektrischen Verbindung von dem Energiespeicher zur Energiequelle über einen Sternpunkt der elektrischen Maschine geschaltet wird. Dadurch muss die elektrische Maschine nicht von dem Energiespeicher während des Ladevorgangs elektrisch getrennt werden.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Falle, dass als Energiequelle eine Wechselspannungsquelle verwendet wird, die Wechselspannungsquelle von dem Energiespeicher galvanisch getrennt oder alternativ dazu nicht galvanisch getrennt wird. Eine galvanische Trennung bietet eine höhere Sicherheit. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass für eine solche Sicherheitseinrichtung nicht immer eine Notwendigkeit besteht.
Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle unmittelbar mit einem Eingangsanschluss des Energiespeichers elektrisch verbunden wird. Dadurch werden mögliche Verluste in zusätzlichen elektrischen Bauteilen verhindert.
Eine andere Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle mit einem Anschluss der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird. Dadurch ergeben sich entsprechend der Ausgestaltung der elektrischen Maschine weitere Lademöglichkeiten zum Laden des Energiespeichers.
Des Weiteren schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers vor, mit einer Energiequelle, die eine Ladespannung bereitstellt, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine, bei der der Energiespeicher mit der Energiequelle und mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher mehrere, vorzugsweise mindestens drei Energiespeicherstränge mit mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens eine Energiespeicherzelle bzw. ein Energiespeicherelement, die bzw. das dazu ausgebildet ist, von der Energiequelle Energie zu empfangen und zu speichern, und mindestens zwei Schaltelemente aufweist, wobei die Energiequelle eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfasst und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule bzw. deren jeweilige Energiespeicherzellen eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander zu schalten sind und/oder mindestens ein Energiespeichermodul eines Energiespeicherstrangs gebypasst wird bzw. zu überbrücken ist, an die jeweilige gewählte Energiequelle anpassbar ist.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle zum Bereitstellen der Ladespannung unmittelbar mit Anschlüssen des Energiespeichers oder mit Anschlüssen der elektrischen Maschine verbunden ist.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule in einem jeweiligen Energiespeicherstrang durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind.
Eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiespeicherstränge in Reihe zueinander geschaltet sind oder dass die mindestens drei Energiespeicherstränge parallel zueinander geschaltet sind.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

1 zeigt ein erstes Schaltbild gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
2 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
3 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
4 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
5 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
6a und 6b zeigen weitere Schaltbilder gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
7a und 7b zeigen weitere Schaltbilder gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
8a und 8b zeigen weitere Schaltbilder gemäß anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
9a bis 9d zeigen weitere Schaltbilder gemäß noch weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
10a bis 10f zeigen weitere Schaltbilder gemäß noch anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
11 zeigt ein Systemschaltbild zum Laden eines Energiespeichers,
12a bis 12d zeigen Betriebsfunktionen des Systemschaltbilds der 11.

Das in 1 gezeigte Schaltbild 10a zeigt eine Energiequelle 12a. Die Energiequelle 12a ist ein Ladegerät 12a zum Laden eines Energiespeichers 14a. Das Ladegerät 12a ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform als Gleichspannungsquelle ausgebildet und in Form eines mit einer hier nicht gezeigten Wechselspannungsquelle verbundenen Gleichrichters dargestellt. Das Ladegerät 12a stellt eine Ladespannung zur Verfügung.
Der Energiespeicher 14a ist in Form einer Wechselstrombatterie ausgebildet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Anmeldung die Begriffe „Energiespeicher“, „Batterie“ und „Wechselstrombatterie“ gleichbedeutend verwendet werden.
Die Batterie 14a weist drei Energiespeicherstränge u, v und w auf, die mit gestrichelter Linienführung jeweils umrandet sind. Insofern können die Energiespeicherstränge u, v, w jeweils auch als Batteriestrang oder schlicht als Strang bezeichnet werden. Die Stränge u, v, und w können auch als Phasenstränge der Batterie 14a bezeichnet werden.
Jeder einzelne Strang u, v, w weist mehrere Energiespeichermodule u-1 bis u-5, bzw. v-1 bis v-5, bzw. w-1 bis w-5 auf. Die Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, u-1 bis u-5 weisen jeweils eine Struktur auf, die in der o.g. Patentanmeldung der Anmelderin offenbart wurde.
Obwohl in der hier gezeigten Ausführungsform jeder Strang u, v, w jeweils fünf Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 aufweist, soll verstanden werden, dass die Anzahl der Module in dieser Ausführungsform und den nachfolgend noch zu beschreibenden Ausführungsformen beliebig sein kann, so dass jeder Strang u, v, w jeweils u-n, v-n, w-n Module aufweisen kann, wobei n einer beliebigen natürlichen Zahl entspricht.
Über einen ersten Anschluss 16 ist ein positiver Pol des Ladegeräts 12a mit dem Energiespeicher bzw. der Batterie 14a elektrisch verbunden und über einen zweiten Anschluss 17 ist ein negativer Pol des Ladegeräts 12a mit der Batterie 14a elektrisch verbunden. Über jeweilige Anschlüsse 18-u, 18-v und 18-w ist jeder Strang u, v, w jeweils mit einer elektrischen Maschine 20 elektrisch verbunden.
Die elektrische Maschine 20 kann bspw. ein Motor bzw. ein Elektromotor sein. Der Motor 20 weist mindestens drei Wicklungen 21 bzw. Wicklungsanschlüsse auf. Jede Wicklung 21 ist dabei einzeln mit einem Anschluss 18 der Batterie 14a elektrisch verbunden. Die jeweiligen Abschnitte des Motors 20, die jeweils eine Wicklung 21 aufweisen, werden auch als Wicklungsstränge oder Phasenstränge bzw. Phasen des Motors bezeichnet.
Für den Ladevorgang der Batterie 14a sind in der hier gezeigten Ausführungsform die Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 in einem Strang u, v, w jeweils alle parallelgeschaltet. Auch die Stränge u, v, w sind parallelgeschaltet.
An einer mit „T“ gekennzeichneten Stelle 19 sind die Leitungen der Stränge u, v, w jeweils getrennt, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dies wird z. B. durch ein in dem jeweiligen Modul u-5, v-5 und w-5 verbauten MOSFET erzielt.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform entspricht die Gleichstromladespannung gleich der Modulspannung eines Moduls u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5. Die einzelne Modulspannung ist dabei vorzugsweise kleiner als 60 V Gleichstrom.
Bei diesem Verfahren zum Laden der Batterie 14a ist der Ladestrom entsprechend hoch, weil die Ladespannung vergleichsweise klein ist. Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Motor 20 nicht von dem Energiespeicher 14a getrennt werden muss bzw. nicht abgeschaltet werden muss, da durch den Motor 20 bei dieser Ladestrategie kein Strom fließt.
Das in 2 gezeigte Schaltbild 10b zeigt die Energiequelle 12a bzw. Ladegerät 12a, den Energiespeicher 14a bzw. Batterie 14a und die elektrische Maschine 20 bzw. Motor 20. Die Batterie 14a entspricht der Batterie 14a aus 1 und weist drei Batteriestränge u, v, w mit jeweiligen Batteriemodulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5 auf. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die einzelnen Komponenten nicht erneut mit Bezugszeichen versehen.
Der positive Pol des Ladegeräts 12a ist über den Anschluss 16 der Batterie 14a, der hier auf einem gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14a liegt, mit der Batterie 14a elektrisch verbunden. Die Stränge u, v, w der Batterie 14a sind zueinander parallelgeschaltet. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die jeweiligen Batteriemodule der jeweiligen Stränge in Reihe zueinander geschaltet. Dabei ist die Schaltung an einer mit „T“ gekennzeichneten Stelle durch ein internes MOSFET getrennt. Über die jeweiligen Anschlüsse 18-u, 18-v und 18-w sind die jeweiligen Stränge u, v, w mit Anschlüssen der jeweiligen Wicklungsstränge des Motors 20 verbunden.
Die Rückleitung zurück zum Ladegerät 12a erfolgt bei dieser Ausführungsform über den Sternpunkt des Motors 20. Dadurch werden zusätzliche Leitungen vermieden und der Motor 20 muss nicht von der Batterie 14a getrennt werden. Die Gleichstromladespannung ist bei dieser Ausführungsform größer als die Summe der Modulspannungen eines jeweiligen Strangs u, v, w. Dadurch kann bei dieser Ausführungsform der Ladevorgang im Hochvolt-Bereich erfolgen.
Das in 3 gezeigte Schaltbild 10c zeigt im Wesentlichen die in 2 beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Schaltbild 10c weist aber zusätzlich zu den in 2 beschriebenen Komponenten zwei zusätzliche Leistungsschalter SWK1 und SWK2 auf. Der Schalter SWK1 ist zwischen dem Strang u und dem Strang v angeordnet. Der Schalter SWK2 ist zwischen dem Strang v und dem Strang w angeordnet. Zusätzlich ist eine nicht gezeigte Ansteuerung für die Schalter SWK1 und SWK2 erforderlich.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Schalter SWK1 und SWK2 geschlossen, so dass der Motor 20 kurzgeschlossen wird, indem die einzelnen Phasenstränge bzw. Phasen des Motors 20 zusammengeschlossen werden. Die Rückleitung zurück zum Ladegerät 12a erfolgt somit über die zusammengeschalteten Phasenleitungen des Motors 20. Dadurch muss der Motor 20 nicht von der Batterie 14a getrennt werden. Des Weiteren treten auch keine Spannungsabfälle über den Wicklungen 21 des Motors 20 auf. Außerhalb des Ladevorgangs und zum Betrieb des Motors 20 sind die Schalter SWK1 und SWK2 zu öffnen.
Das in 4 gezeigte Schaltbild 10d zeigt im Wesentlichen die in 3 beschriebenen Komponenten der Schaltung. Das Ladegerät 12a ist mit der Batterie 14a über den Anschluss 16 elektrisch verbunden und die Rückleitung zurück zum Ladegerät erfolgt über die zusammengeschlossenen Phasen des Motors 20. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind jedoch die einzelnen Module der jeweiligen Stränge u, v, w nicht ausschließlich in Reihe oder parallel zueinander geschaltet, sondern manche Module sind in Reihe geschaltet und manche Module sind parallelgeschaltet.
In Strang u sind das Modul u-1 und das Modul u-2 in Reihe geschaltet und die Module u-3, u-4 und u-5 sind parallelgeschaltet. In Strang v sind das Modul v-1, v-2 und v-3 parallelgeschaltet und die Module v-4 und v-5 sind in Reihe geschaltet. In Strang w sind die Module w-2, w-3 und w-4 parallelgeschaltet, das Modul w-1 und das Modul w-5 sind zu den parallel geschalteten Modulen w-2, w-3, w-4 in Reihe geschaltet. Die in 4 gezeigte Ausführungsform zeigt somit einen Mischbetrieb. Hierbei sind die Spannungen in den jeweiligen Strängen u, v, w gleich, jedoch ist die Verteilung des Stroms auf die einzelnen Module verschieden. Dadurch können Zwischenspannungen geschaltet werden und eine Ausbalancierung zwischen den jeweiligen Strängen und/oder den jeweiligen Modulen der einzelnen Stränge ist realisierbar.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Gleichstromladespannung kleiner oder gleich der Summe der Modulspannungen, so dass auch bei dieser Ausführungsform im Hochvolt-Bereich geladen werden kann.
Das Schaltbild 10e der 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Laden der Batterie 14a. Bei dieser Ausführungsform ist der positive Pol des Ladegeräts 12a über einen Anschluss 22 mit dem Motor 20 verbunden. Die mit „T“ gekennzeichneten Stellen bedeuten eine Trennung der Leitung an dieser Stelle.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform wird der Strom über den Anschluss 22 in einen Phasenstrang des Motors 20 eingeleitet. Die Phasenstränge des Motors teilen dadurch den Strom auf, so dass der Strom über die Anschlüsse 18-u und 18-w der Batterie 14a in die Batterie 14a fließt.
In der Batterie 14a sind die jeweiligen Module der Stränge u, v, w jeweils in Reihe geschaltet. Die Stränge u, v, w sind parallel zueinander geschaltet. Über den Strang v fließt der Strom zurück in Richtung Ladegerät 12a. Dabei liegt im Strang v die doppelte Stromstärke und die doppelte Strangspannung gegenüber den Strängen u und w an. Über den Anschluss 18-v ist die Batterie 14a mit dem negativen Pol des Ladegeräts 12a verbunden. Dabei ist zwischen dem Anschluss 22 und dem Rückleiter zum Ladegerät 12a ein Schalter 23 angeordnet. Während des Ladevorgangs wird über den Schalter 23 eine Phase des Motors getrennt. Ist der Ladevorgang beendet, wird das Ladegerät 12a abgetrennt und der Schalter 23 geschlossen, um den Motor 20 betreiben zu können.
Auch bei dieser Ausführungsform sind Mischschaltungen in den jeweiligen Strängen u, v, w möglich, wobei, wie in der in 4 beschriebenen Ausführungsform, Module in einem Strang u, v, w parallel und in Reihe zueinander geschaltet sind. Dadurch werden Anpassungen zur besseren Stromverteilung und zur Spannungsanpassung möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit das Laden einer Wechselstrombatterie mit einer Gleichstromspannungsquelle. Dabei kann eine elektrische Maschine, wie bspw. ein Elektromotor, in den Ladevorgang eingebunden oder nicht eingebunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aber auch ein Laden der Wechselstrombatterie unter Verwendung einer Wechselstromspannungsquelle, wie nachstehend beschrieben wird.
Die 6a und 6b zeigen Schaltbilder 10f und 10g, die eine erste Möglichkeit zum Laden eines Energiespeichers bzw. einer Batterie 14b mit einer Wechselspannungsquelle als Energiequelle 12b darstellen. Die Wechselspannungsquelle 12b ist über einen Anschluss 16* mit der Batterie 14b elektrisch verbunden.
Die Batterie 14b weist drei Energiespeicherstränge u, v, w bzw. Batteriestränge u, v, w auf. Die Stränge u, v, w sind zueinander parallelgeschaltet. Jeder der Stränge u, v, w weist mehrere Energiespeichermodule u-1, u-2, u-3, u-4, u-5 bzw. v-1, v-2, v-3, v-4, v-5 bzw. w-1, w-2, w-3, w-4, w-5 auf, die auch als Batteriemodule bezeichnet werden. Jeder Strang u, v, w weist dazu zusätzlich noch ein Schaltermodul u-S, v-S, w-S auf. Ein solches jeweiliges Schaltermodul u-S, v-S, w-S kann bspw. ein MOSFET sein. Der MOSFET reduziert den gezeigten Doppelabgriff der Module u-1, v-1, w-1 auf einen Abgriff. Die jeweiligen Module u-1 bis u-5 und u-S, v-1 bis v-5 und v-S, w-1 bis w-5 und w-S sind jeweils innerhalb ihres jeweiligen Strangs parallel zueinander geschaltet. Über einen jeweiligen Anschluss 18-u, 18-v, 18-w sind die Stränge u, v, w bzw. die Batterie 14b mit einem Motor 20 elektrisch verbunden. Der Motor 20 entspricht dabei den in den voranstehend beschriebenen Figuren dargestellten Motor 20 und weist drei Wicklungs- bzw. Phasenstränge mit den Wicklungen 21 auf.
Die in 6b gezeigte Ausführungsform weist noch einen der Wechselspannungsquelle 12b nachgeschalteten Transformator 24 auf. Dadurch wird die Wechselstromspannungsquelle 12b galvanisch von dem Energiespeicher 14b getrennt, wodurch Sicherheitsaspekte der Schaltung angesprochen werden.
Die in den 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen ermöglichen ein direktes, einphasiges Laden der Batterie 14b. Die Rückleitung zurück zum Ladegerät 12b erfolgt dabei über den Sternpunkt des Motors 20. Zum Ausbilden einer Wechselspannungssenke wird die Batterie 14b auf den Strom des Ladegeräts 12b aufgeregelt. Das heißt, die Batterie 14b wird an das Ladegerät 12b angepasst.
Maßgeblich bei diesem Ladeverfahren sind die Frequenz und die Spannung des Ladegeräts 12b der von diesem bereitgestellten Wechselspannung. Die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 werden dazu so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Frequenz und der Spannung des Ladegerät 12b entsprechen. Das Ladegerät 12b stellt eine Ladespannung mit einer bestimmten Frequenz bereit. Wie einleitend erläutert, weisen die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 mehrere Schaltelemente auf, die es erlauben die jeweiligen Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. die in den jeweiligen Modulen angeordneten Energiespeicherelemente dynamisch zwischen einer Parallelschaltung und/oder einer Reihenschaltung zueinander umzuschalten. Dadurch lassen sich jeweilige Frequenzen und Spannungen in den jeweiligen Modulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. den Batteriesträngen u, v, w einstellen, so dass sich die Batterie 14b an die bereitgestellte Frequenz und Spannung des Ladegeräts 12b anpassen lässt. Hierzu sind auch die Schaltermodule u-S, v-S und w-S erforderlich. Da an den jeweiligen Strängen u, v, w jeweils nur eine Teilspannung anliegt, führen die Schaltermodule u-S, v-S und w-S die Stränge u, v, w zu einem gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14b zusammen. Über den Sternpunkt der Batterie 14b kann die von dem Ladegerät 12b bereitgestellte Wechselspannung zentral eingespeist werden.
Durch die Rückleitung über den Sternpunkt des Motors 20, muss der Motor 20 während des Ladevorgangs nicht von der Batterie 14b getrennt werden. Jedoch werden die jeweiligen Module der ersten Spannungsstufe entkoppelt, d. h. sie werden einzeln ansteuerbar, so dass auch diese parallel, in Reihe oder überbrückend zu jeweiligen benachbarten Modulen geschaltet werden können. Anderenfalls wäre lediglich eine Parallelschaltung möglich.
Die in den 7a und 7b gezeigten Schaltbilder 10h und 10i entsprechen im Wesentlichen den in den 6a und 6b gezeigten Schaltbildern 10f und 10g, wobei die Schaltbilder 10h und 10i der 7a und 7b zwei Schalter SWK1, SWK2 aufweisen, die zwischen den Anschlüssen 18-u, 18-v, 18-w angeordnet sind, über die die Batterie 14b mit den jeweiligen Wicklungssträngen mit den jeweiligen Wicklungen 21 des Motors 20 verbunden ist. Der Schalter SWK1 ist zwischen den Anschlüssen 18-u und 18-v angeordnet. Der Schalter SWK2 ist zwischen den Anschlüssen 18-v und 18-w angeordnet. Die in 7b gezeigte Ausführungsform weist den Transformator 24 auf, der die Wechselspannungsquelle 12b galvanisch von der Batterie 14b trennt.
Bei den in den 7a und 7b gezeigten Ausführungsformen wird die Batterie 14b direkt, einphasig geladen, wobei der Motor 20 bzw. die Stränge mit den Wicklungen 21 (Wicklungsstränge) des Motors 20 über die Schalter SWK1 und SWK2 kurzgeschlossen werden. Dadurch muss der Motor 20 nicht von der Batterie 14b während des Ladevorgangs getrennt werden und es treten keine Spannungsabfälle über den Wicklungen 21 des Motors 20 auf. Das Kurzschließen der Stränge erfolgt, indem die Schalter SWK1 und SWK2 jeweils geschlossen werden. Hierzu ist ggf. eine nicht gezeigte Ansteuerung der Schalter SWK1, SWK2 erforderlich. Das Ladegerät 12b kann dabei galvanisch getrennt oder galvanisch nicht getrennt mit der Batterie 14b verbunden werden.
Die in den 8a und 8b gezeigten Schaltbilder 10j und 10k, zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14c, wobei bei den hier gezeigten Ausführungsformen die Batterie 14c dreiphasig geladen wird.
Um dies zu ermöglichen weist die Batterie 14c zu den bereits in Bezug auf die Batterien 14a und 14b beschriebenen Komponenten zwei zusätzliche Schalter SSP1 und SSP2 auf. Der Schalter SSP1 ist zwischen dem Strang u und dem Strang v angeordnet. Der Schalter SSP2 ist zwischen dem Strang v und dem Strang w angeordnet.
Die Schaltbilder 10j und 10k weisen auch die Schalter SWK1 und SWK2 an den bereits beschriebenen Stellen zwischen den Strängen des Motors 20 auf, um die Stränge des Motors 20 zusammenzuschalten.
Die Batterie 14c bzw. die Stränge u, v und w sind jeweils mit jeweils einer Phase L1, L2, L3 eines Ladegeräts 12c verbunden. Die Wechselspannungsquelle 12c könnte somit ein Drehstromnetz sein. Die in 8b gezeigte Ausführungsform weist eine galvanische Trennung durch einen dem Ladegerät 12c nachgeschalteten Transformator 25 auf.
Die Batterie 14c wird durch die in den 8a und 8b gezeigten Ausführungsformen direkt dreiphasig geladen. Dazu trennen die Schalter SSP1, SSP2 den Sternpunkt der Batterie 14c auf. Das ist erforderlich, um jeden Strang u, v, w einzeln zu behandeln, da an den Strängen u, v, w jeweils eine vorzugsweise um 120° verschobene Phase des Ladegeräts 12c anliegt. Hierbei sei angemerkt, dass die Phasenverschiebung einen beliebigen Wert aufweisen kann. Die Schalter SWK1 und SWK2 schließen die Stränge des Motors 20 zusammen, d. h. der Motor 20 wird kurzgeschlossen. Aufgrund der Phasenverschiebung um 120° der jeweiligen Phasen L1, L2, L3 beträgt der Wert der am Motor 20 anliegenden vektoriellen Summe der Spannungen ohnehin 0V. Deshalb muss der Motor 20 nicht zwangsläufig von der Batterie 14c während des Ladevorgangs getrennt werden, jedoch muss er über die Schalter SWK1 und SWK2 kurzgeschlossen werden. Dadurch treten auch keine Spannungsabfälle in den Wicklungen des Motors 20 auf. Zum Ansteuern der Schalter SSP1, SSP2, SWK1, SWK2, die jeweils Leistungsschalter sein können, ist ggf. eine nicht gezeigte Ansteuerung notwendig.
Die in den 9a bis 9d gezeigten Schaltbilder 101, 10m, 10n, 10o zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14a bzw. 14b, wobei die Energiespeicher 14a, 14b jeweils in den voranstehenden Figuren bereits beschrieben wurden. Bei den gezeigten Ausführungsformen wird die Batterie 14a, 14b direkt, dreiphasig geladen, wobei das Ladegerät 12c jeweils motorseitig mit der Batterie 14a, 14b elektrisch verbunden ist. Dabei sind die jeweiligen Batteriemodule parallel zueinander geschaltet.
Die Schaltbilder 10l bis 10o weisen auch zwei Schalter S1 und S2 auf, die den Motor 20 an zwei Strängen von der Batterie 14a bzw. 14b trennen. Der Schalter S1 ist dabei zwischen dem Anschluss 18-u und dem entsprechenden Wicklungsstrang 21 des Motors 20 angeordnet. Der Schalter S2 ist zwischen einem entsprechenden Wicklungsstrang 21 des Motors 20 und der elektrischen Verbindung von Anschluss 18-v zu Phase L2 angeordnet. Sind die Schalter S1 und S2 geöffnet, sind die jeweiligen Stränge des Motors von der Batterie 14a, 14b bzw. von den jeweiligen Strängen u, v getrennt. Dadurch treten an den Wicklungen keine Spannungsabfälle auf und es fließt kein Strom in den Motor.
Das Schaltbild 10l der 9a zeigt die Batterie 14b, wie sie bereits in den 6 und 7 beschrieben wurde. Das Ladegerät 12c bzw. die Phasen L1, L2, L3 sind über die Anschlüsse 18-w, 18-v und 18-u mit der Batterie 14b elektrisch verbunden. Dabei ist die Phase L1 mit dem Anschluss 18-u, die Phase L2 mit dem Anschluss 18-v und die Phase L3 mit dem Anschluss 18-w elektrisch verbunden.
Das Schaltbild 10m der 9b zeigt im Wesentlichen die aus der 9a bekannten Komponenten. Im Schaltbild 10m weist das Ladegerät 12c einen den Phasen L1, L2 und L3 nachgeschalteten Transformator 25 zur galvanischen Trennung auf.
Die Schaltermodule u-S, v-S und w-S sind in den Ausführungsformen der 9a und 9b so geschaltet, dass das Laden der Batterie 14b über einen gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14b erfolgt.
Das in 9c gezeigte Schaltbild 10n zeigt und entspricht im Wesentlichen dem Schaltbild 10l der 9a, wobei die Batterie 14b durch die bereits beschriebene Batterie 14a ersetzt ist, die keine Schaltermodule u-S, v-S und w-S aufweist. Insofern erfolgt bei dieser Ausführungsform das Laden der Batterie 14a über parallel geschaltete Stränge u, v, w.
Das in 9d gezeigte Schaltbild unterscheidet sich von dem Schaltbild 10n der 9c lediglich darin, dass dem Ladegerät 12c der Transformator 25 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet ist.
Die 10a bis 10f zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14c. Dazu zeigen die 10a bis 10f Schaltbilder 10p bis 10u, in denen Ausführungsformen gezeigt sind, bei denen die Batterie 14c mit zwei Spannungsquellen 12a, 12b, 12c elektrisch verbunden ist. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der 10a bis 10f ermöglichen ein Laden des Energiespeichers 14c sowohl mittels Gleichstrom, als auch mittels Wechselstrom und sowohl einphasig, als auch dreiphasig. Jedenfalls ist in den Ausführungsformen der 10a bis 10f jeweils eine Drehstromspannungsquelle 12c vorgesehen, die mehrere Phasen aufweist, und jeweils eine Spannungsquelle 12a, 12b vorgesehen, die lediglich eine Phase aufweist. Insofern stellen die Ausführungsformen der 10a bis 10f eine Mischform der in den 8a, 8b und 3 beschriebenen Schaltungen dar. Die jeweiligen Energiespeichermodule der Energiespeicherstränge u, v, w sind jeweils parallel zueinander geschaltet. Die Schalter SSP1 und SSP2 trennen, wie zuvor beschrieben, den Sternpunkt der Batterie 14c auf. Zum Laden der Batterie 14c mittels der Drehstromspannungsquelle 12c sind die Schalter SSP1 und SSP2 geöffnet. Zum Laden der Batterie 14c mittels der einphasigen Spannungsquelle 12a oder 12b sind die Schalter SSP1 und SSP2 zu schließen.
Die in den Schaltbildern 10p bis 10u gezeigten Ausführungsformen weisen die Schalter SWK1 und SWK2 auf, die an den zuvor bereits beschriebenen Stellen in den jeweiligen Schaltbildern 10p bis 10u angeordnet sind, nämlich zwischen den Strängen des Motors 20, um die Stränge des Motors 20 zusammenzuschalten.
Die Schaltbilder 10p bis 10u weisen des Weiteren drei Spulen 30 auf. Eine Spule 30 ist jeweils mit einer Phase L1, L2, L3 und mit einem jeweiligen Anschluss der Batterie 14c elektrisch verbunden.
In der mit Schaltbild 10p in 10a gezeigten Ausführungsform ist die bereits beschriebene Batterie 14c mit einem Ladegerät 12a, einer Gleichstromspannungsquelle, und einem Ladegerät 12c, einer Drehstromspannungsquelle, elektrisch verbunden.
Das Ladegerät 12a ist mit seinem positiven Pol über einen Anschluss 26 und mit seinem negativen Pol über einen Anschluss 28 mit der Batterie 14c verbunden.
Die Phasen L1, L2, L3 des Ladegeräts 12c sind jeweils mit einer der Spulen 30 elektrisch verbunden.
In dem in 10b gezeigten Schaltbild 10q ist dem Ladegerät 12c ein Transformator 25 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet.
Das in 10c gezeigte Schaltbild 10r entspricht im Wesentlichen dem in 10a gezeigten Schaltbild 10p. Im Schaltbild 10r ist aber die Gleichstromspannungsquelle 12a durch eine einphasige Wechselstromspannungsquelle 12b ersetzt.
In dem in den 10d und 10f gezeigten Schaltbildern 10s bzw. 10u ist dem Ladegerät 12c zur galvanischen Trennung ein Transformator 25 nachgeschaltet.
In dem in den 10e und 10f gezeigten Schaltbildern 10t bzw. 10u ist der einphasigen Wechselstromspannungsquelle 12b ein Transformator 24 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet.
In 11 ist ein Systemschaltbild 10v dargestellt. Ein Energiespeicher 14d ist mit einem Bordnetz 12d elektrisch verbunden. Das Bordnetz 12d ist dazu eingerichtet, mehrere Spannungsniveaus als Verbraucherspannung für jeweilige Verbraucher zu verwenden, bspw. 12V und 48V.
Der Energiespeicher 14d weist drei Energiespeicherstränge u, v, w auf. Jeder Energiespeicherstrang u, v, w weist jeweils fünf Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 auf. Auch hierbei sei nochmal angemerkt, dass die Anzahl der Energiespeichermodule beliebig sein kann und somit auch mehr als fünf Energiespeichermodule vorhanden sein können. Der positive Pol des Bordnetzes 12d ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 32 mit einem positiven Anschluss eines jeweiligen Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. Der negative Pol des Bordnetzes 12d ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 33 mit einem negativen Anschluss eines jeweiligen Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. In der Hinleitung 32 vom positiven Pol des Bordnetzes 12d zur Batterie 14d ist ein Schütz 34 und ein Schalter S9 in Reihe angeordnet. Im Übrigen sind die jeweiligen Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 jeweils parallelgeschaltet. An dem motorseitigen Ende der Stränge u, v, w ist jeweils ein mit „A“ gekennzeichneter Strommesser angeordnet. Diesem nachgeschaltet ist jeweils ein Schütz 36.
Die Stränge u, v, w sind jeweils mit jeweils einem Strang eines Motors 20 elektrisch verbunden. Dabei ist ein Schalter S1 in der elektrischen Verbindung von Strang u zum Motor 20 und ein Schalter S2 in der elektrischen Verbindung von Strang v zum Motor 20 angeordnet, um diesen ggf. je nach Betriebsfunktion zu trennen oder zu verbinden. Mit dem Motor 20 ist eine Ladevorrichtung 38 elektrisch verbunden. Die Ladevorrichtung 38 wird zum Laden der Batterie 14d mit jeweiligen eine Ladespannung bereitstellenden Energiequellen verbunden, wobei als Energiequellen Gleichspannungsquellen und/oder Wechselspannungsquellen in Betracht kommen.
Die Ladevorrichtung 38 weist mehrere Anschlüsse L1, L2, L3 zum verbinden mit jeweiligen Phasen eines Drehstromnetzes auf. Des Weiteren weist die Ladevorrichtung 38 einen Neutralanschluss N auf. Schließlich weist die Ladevorrichtung 38 Anschlüsse „+“ und „-“ zum Verbinden mit einem Gleichstromnetz auf. Zum jeweiligen Hinzuschalten oder Trennen des jeweiligen Anschlusses L1, L2, L3, N, „+“, „-“ ist diesen jeweils ein Schalter S3 bis S7 nachgeschaltet. Der Schalter S4 ist dabei dazu eingerichtet, zwischen dem Anschluss „-“ und dem Anschluss N zu schalten. Die Schalter S5, S6, S7 sind dazu eingerichtet, zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss L1, L2, L3 oder einem Koppelstrang 39 zu schalten. Der Schalter S3 ist dazu eingerichtet, den Anschluss „+“ oder den Anschluss der Phase L1 mit dem Koppelstrang 39 zu verbinden. Die Anschlüsse L1, L2 und L3 weisen zudem jeweils eine Spule 40 auf. Parallel zwischen dem Anschluss N und den jeweiligen Anschlüssen L1, L2 und L3 ist jeweils ein mit „U“ gekennzeichneter Spannungsmesser angeordnet. Ein mit „U“ gekennzeichneter Spannungsmesser ist zudem zwischen dem Anschluss „+“ und dem Anschluss „-“ angeordnet.
Von dem Anschluss N bzw. dem Anschluss „-“, je nach jeweiliger Stellung des Schalters S4, ist eine elektrische Verbindung 42 zu dem negativen Pol des Bordnetzes 12d bzw. zu der elektrischen Verbindung 33 ausgebildet. Die elektrische Verbindung 42 weist einen Schütz 44 auf. Zwischen der elektrischen Verbindung 42 und den jeweiligen Strängen u, v, w sind jeweils mit „U“ gekennzeichnete Spannungsmesser parallel dazu geschaltet angeordnet, so dass eine Spannung zwischen dem jeweiligen Strang u, v, w und der elektrischen Verbindung 42 bestimmbar ist.
Von den jeweiligen Spannungsmessern „U“ und Strommessern „A“, von dem Motor 20 bzw. von einem Resolver des Motors 20 und von der Batterie 14d werden Messdaten, wie z.B. einzelne Zellspannungen der einzelnen Energiespeichermodule oder die Temperatur an eine Zentralsteuerung 46 der Batterie 14d gesendet. Die Zentralsteuerung 46 weist zur Steuerung der jeweiligen Schalter der Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 einen Hochgeschwindigkeits-Bus 45 auf. An die Zentralsteuerung 46 ist auch eine Schaltersteuerung 48 zur Steuerung der Schalter S1 bis S9 angebunden.
12a zeigt das Systemschaltbild 10v wie es geschaltet ist, während eines Motorbetriebs, also wenn die Batterie 14d den Motor 20 mit Energie versorgt. Der Übersichtlichkeit halber, sind nicht benötigte Mitglieder des Systemschaltbilds 10v aus 11 ausgeblendet.
Zum Motorbetrieb ist der Schalter S9 geschlossen. Dadurch ist das Bordnetz 12d mit seinem jeweiligen positiven Pol und seinem jeweiligen negativen Pol mit der Batterie 14d elektrisch verbunden. Auch die Schalter S1 und S2 sind geschlossen, wodurch die Batterie 14d und der Motor 20 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Schalter S3 bis S7 sind so geschaltet, dass sie keine Funktion erfüllen bzw. die Ladevorrichtung 38 getrennt ist. Dazu sind Schalter S3 bis S7 geöffnet bzw. in eine Mittelstellung zwischen den jeweiligen möglichen Endstellungen geschaltet, so dass keine der Endstellungen elektrisch verbunden ist. Andere Schaltelemente als die gezeigten, die eine Öffnungsstellung neben mehreren weiteren Funktionsstellungen zulassen, sind alternativ möglich.
12b zeigt das Schaltbild 10v aus 11 wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Wechselstrom dreiphasig geladen wird. Diese Funktion entspricht im Wesentlichen den in den 9a bis 9d beschriebenen Merkmalen. Die Schaltersteuerung 48 hat den Schalter S9 geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter S1 und S2 sind geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass sie die Phasenanschlüsse L1, L2 und L3 mit den jeweiligen Strängen u, v, w der Batterie 14d verbinden. Der Schalter S5 verbindet den Anschluss der Phase L1 mit dem Strang u der Batterie 14d, der Schalter S6 verbindet den Anschluss der Phase L2 mit dem Strang v der Batterie 14d und der Schalter S7 verbindet den Anschluss der Phase L3 mit dem Strang w der Batterie 14d. Der Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss N mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Der Strom wird somit über den Phasen L1, L2, L3 und dem Neutral- bzw. Null-Leiter entnommen. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d dreiphasig geladen werden.
12c zeigt das Schaltbild 10v wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Wechselstrom einphasig geladen wird. Die Schaltersteuerung 48 hat dazu den Schalter S9 geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter S1 und S2 geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S3, S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass der Phasenanschluss L1 mit den Strängen u, v, w der Batterie 14d elektrisch verbunden ist.
Der Schalter S3 ist so geschaltet, dass der Anschluss der Phase L1 mit dem Koppelstrang verbunden ist. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d ebenfalls mit dem Koppelstrang 39 (siehe 11) verbunden sind. Somit kann Strom von dem Anschluss der Phase L1 über den Schalter S3, den Koppelstrang 39 die Schalter S5, S6, S7 in die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d fließen und die Batterie 14d laden. Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss N mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Der Strom wird somit über der Phase L1 und dem Neutral- bzw. Null-Leiter entnommen. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d einphasig aus der Phase L1 geladen werden.
12d zeigt das Schaltbild 10v wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Gleichstrom geladen wird. Die Schaltersteuerung 48 hat dazu den Schalter S9 geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter S1 und S2 geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S3, S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass der Anschluss „+“ elektrisch mit den Strängen u, v, w der Batterie 14d verbunden ist. Dazu ist der Schalter S3 so geschaltet, dass der Anschluss „+“ mit dem Koppelstrang verbunden ist. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d ebenfalls mit dem Koppelstrang 39 (siehe 11) verbunden sind. Somit kann Strom von dem Anschluss „+“ über den Schalter S3, den Koppelstrang 39 und die Schalter S5, S6, S7 in die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d fließen und die Batterie 14d laden. Der Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss „-“ mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d mit Gleichstrom geladen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013212692 A1 [0003]
DE 102013212682 A1 [0004]
DE 102013212716 A1 [0004]
DE 102015112512 A1 [0011, 0013]
DE 102015112513 A1 [0013]
DE 102016112250 A1 [0013]
DE 102011108920 A1 [0013]
DE 102010052934 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module Connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no.1, pp 203-215 [0013]

Claims

Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d), bei dem ein Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) verwendet wird, der mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) elektrisch mit einer eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) und einer elektrischen Maschine (20) verbunden wird und die Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) von der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) eine Wechselstrombatterie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) in einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeicherstränge (u, v, w) in Reihe zueinander geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) parallel zueinander geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) einphasig oder dreiphasig geladen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) über einen Sternpunkt des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) geladen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückleitung der elektrischen Verbindung von dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) zur Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) über einen Sternpunkt der elektrischen Maschine (20) geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (12b, 12c) von dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) galvanisch getrennt oder alternativ nicht galvanisch getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) unmittelbar mit einem Eingangsanschluss des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle (14a, 14b, 14c, 14d) mit einem Anschluss der elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden wird.
Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) mit einer Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d), die eine Ladespannung bereitstellt, einem Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) und einer elektrischen Maschine (20), bei der der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) mit der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) und mit der elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eine Energiespeicherzelle, die dazu ausgebildet ist, von der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) Energie zu empfangen und zu speichern, und mindestens zwei Schaltelemente aufweist, wobei die Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfasst und der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander zu schalten sind und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) zu überbrücken ist, an die jeweilige gewählte Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) anpassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) zum Bereitstellen der Ladespannung unmittelbar mit Anschlüssen des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) oder mit Anschlüssen der elektrischen Maschine (20) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch kennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) in einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiespeicherstränge (u, v, w) in Reihe zueinander geschaltet sind oder dass die mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) parallel zueinander geschaltet sind.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.